RADIOCIÊNCIA - INTRODUÇÃO ÀS PARTÍCULAS PRESAS E À ANOMALIA GEOMAGNÉTICA BRASILEIRA

INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇO - IAE
CONVÊNIO 2002-2012
PROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD, PROFESSOR ONEIDE JOSÉ PEREIRA

Licença Creative Commons

  • FACULDADES INTEGRADAS ESPÍRITA - FIES
  • INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇO - IAE
  • PLANEJAMENTO DE PESQUISAS
  • Plano Trabalho Progr Cientifico Convenio CRS UNIBEM.pdf - 121 KB Download
  • CTA PLANO DE TRABALHO nov 2006.pdf - e113 KB Download
ESTUDO DA PROPAGAÇÃO DE RÁDIO E DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS NA REGIÃO DA ANOMALIA MAGNÉTICA DO ATLÂNTICO SUL; LEITHOLD, A. A. 

         Edsel Freitas Coutinho estudou a Anomalia Magnética do Atlântico Sul e criou o atual Campus de Pesquisas Geofísicas que leva o seu nome no município de Paula Freitas no Estado do Paraná. Na época muito se aprendeu sobre a AMAS e principalmente sobre as partículas presas na região dos cinturões de Van Allen.

Clique neste link e assista à explanação sobre a dinâmica da magnetosfera terrestre (Cortesia da NASA) Tamanho 7 MB . mpg

          A atmosfera terrestre não é estática, é uma estrutura dinâmica cujas reações e movimentos se originam principalmente de dois fatores: A influência do Sol e suas radiações, e a rotação da Terra.  Na Troposfera por exemplo,  as movimentações das massas de ar, estão intimamente ligadas às variações de pressão, que por sua vez são geradas pelas diferenças de insolação entre os hemisférios. Já a Ionosfera, composta de camadas, se inicia em torno dos 50~60 Km de altitude e se estende até 1000 ~2000 Km, naquela região tem a predominância iônica, cujos principais agentes são a radiação solar nos comprimentos de onda dos raios-X e ultravioleta, da forte predominância das interações químicas e dinâmicas entre a atmosfera neutra e o plasma.  A influência na propagação das ondas de rádio assim, é dependente das condições não somente da ionosfera, mas da dinâmica atmosférica como um todo e das condições magneto - dinâmicas do Planeta.

         As correntes que fluem na ionosfera induzem campos elétricos, assim podem induzir correntes elétricas em elementos metálicos de grandes extensões, tais como estradas de ferro, linhas da transmissão de alta potência, encanamentos metálicos, entre outros elementos. O fenômeno no hemisfério norte é bem conhecido, mas no hemisfério sul quase não há estudos, salvo alguns institutos de pesquisas. 

 

Veja na figura abaixo que mostra a incidência de partículas de alta energia e sua influência na atmosfera da Terra. Observe na parte de baixo do globo que à medida em que a incidência é maior no hemisfério norte, na região da anomalia equatorial também aumenta o índice energético, e isto inclui a chegada de partículas altamente energéticas em todas as regiões onde a coloração é vermelho-alaranjada.

 

 http://edsel.freitas.coutinho.googlepages.com/Particulasdealtaenergia.gif

Figura 1: Incidência de partículas altamente energéticas

 

         Durante uma tempestade geomagnética de grande magnitude, a ionização, portanto a indução, e por conseqüência, a corrente elétrica gerada frequentemente excede a centenas de amperes e as conseqüências de tal são imprevisíveis, podendo inclusive ser catastróficas ao sistema em que fluem. Contudo, há que se observar que grande parte dos efeitos que ocorrem na superfície, em verdade são gerados em grandes altitudes, e as correntes induzidas são o efeito de uma causa que se encontra no Espaço Sideral. Não se pode, assim, descrever algo que ocorre na superfície, sem antes estudar as altas altitudes. Desta forma, os cinturões de Van Allen têm grande importância no estudo e análise dos fenômenos de geração de correntes de superfície e mesmo processos iônicos que ocorrem na alta atmosfera, conforme demonstrado no link em que é exibido o vídeo e na imagem acima, figura 1.

         Na animação os Cinturões de Van Allen, estão numa região onde ocorrem vários fenômenos devidas concentrações de partículas no campo magnético. As radiações de Van Allen não ocorrem, salvo raras exceções nos pólos, e sim na região equatorial, estas formam dois cinturões em forma de anéis, com centro no equador. O anel mais próximo da superfície da Terra, se estende entre mil até aproximadamente cinco mil quilômetros. A sua intensidade máxima, ocorre em média aos três mil quilômetros. A radiação dominante do anel interno, é criada por prótons altamente energéticos, que se originam pelo decaimento de nêutrons produzidos, quando raios cósmicos provindos do espaço exterior, colidem com átomos e moléculas da atmosfera terrestre, parte dos nêutrons é ejetada para fora da atmosfera e se desintegra em prótons e elétrons ao atravessar esta região do cinturão. Essas partículas se movem em trajetórias espirais ao longo de linhas de força do campo magnético terrestre.

         Os campos magnéticos da Terra e do Sol são inconstantes, evoluem ao longo do tempo, ora expandindo, ora retraindo. O efeito das interações dos campos magnéticos, geram ionizações, e as correntes iônicas que interferem em todo o sistema da alta atmosfera. Sobre a região Sul do Brasil, a Anomalia Magnética do Atlântico Sul, tem seus efeitos também provindos das variações dos Cinturões de Radiação de Van Allen,  mais próximos do solo nessa região. É possível reproduzir artificialmente os cinturões de Van Allen em laboratório. E também através de explosões nucleares na alta atmosfera. A exemplo da Operação Dominic - Starfish Prime, em 9 de julho de 1962. - A operação Starfish-Prime foi um teste nuclear de alta altitude executado pelos  Estados Unidos no dia 9 de julho de 1962, realizado pela Agência de Apoio Defesa Atômica (DASA) e a Comissão de Energia Atômica (AEC). O artefato nuclear foi lançado por um foguete de Thor que levou uma ogiva de combate termonuclear W49 (fabricada no laboratório científico de Los Alamos) , o artefato foi detonado a 400 quilômetros de altitude sobre as Ilhas Johnston no Oceano Pacífico.

         A explosão danificou 1/3 de todos os satélites próximos aos Cinturões de Radiação de Van Allen, além de causar uma compressão dos cinturões em direção à Terra. Outro efeito da explosão nuclear no espaço foi o fechamento da propagação de radiofreqüência em todos os comprimentos de onda, causando um black-out total em todo o planeta, inclusive em radares, devido pulso eletromagnético gerado dentro da magnetosfera, além do aumento repentino das taxas de ionização e alterações do plasma ionosférico que duraram por meses.

         

          A densidade dos gases nas zonas mais altas é muito baixa, a quantidade de radiação, ou seja, a energia provinda do espaço é muito grande até determinada altitude, contudo, não existem gases, átomos, ou moléculas livres suficientemente para serem ionizadas.

         No plasma ionosférico encontramos condutividade iônica e permissividade eletromagnética , isto é, em alguns momentos a ionosfera parece se comportar como um condutor elétrico ou placa metálica, em outros momentos pode se comportar como um condutor sintonizado em determinadas freqüências, podendo refletir determinados comprimentos de onda praticamente sem perdas, absorver outros comprimentos de onda inutilizando totalmente a propagação destas.

Só haverá ionização à medida em que mergulhamos na atmosfera, até uma certa profundidade limítrofe. 

          O cinturão de Van Allen interno, enquanto consistindo principalmente em prótons enérgicos, é o produto do decaimento de nêutrons de albedo que são o resultado de colisões de raios cósmicos na atmosfera superior.

         O cinto exterior, consiste principalmente em elétrons. Estes são provindos da cauda geomagnética e das tempestades geomagnéticas. É energizado em conseqüência de interações de onda-partícula. As partículas são apanhadas de dentro do campo magnético da Terra e encontram regiões de campo magnético mais forte, onde as linhas convergem, cuja velocidade longitudinal é reduzida e pode aumentar, dependendo das condições iônicas regionais. Isto faz a partícula ricochetar de um lado para outro, tendo uma trajetória circular em forma de helicóide, emitindo assim energia em forma de ondas eletromagnéticas, que se propagam no meio gerando uma espécie de ruído surdo entre os pólos magnéticos do planeta. Um exemplo além da Terra, é Júpiter que tem um imenso campo magnético, que vai para além de 650 milhões de km, as suas luas, por exemplo, estão numa região onde altos níveis de partículas energéticas presas se configuram de forma similar ao cinturões de Van Allen da Terra. A sonda Galileo descobriu que existe também um cinturão entre o anel de Júpiter e as camadas mais externas da sua atmosfera, é aproximadamente 10 vezes mais forte que os cinturões de Van Allen da Terra, também foram encontrados no cinturão do planeta íons de hélio de alta energia de origem ainda desconhecida.

       Da mesma maneira que Júpiter, outros planetas, inclusive extra-solares contém cinturões de radiação, e, por conseqüência, altamente energéticos, o que, comprova que o estudo dos fenômenos relativos às partículas presas a alta atmosfera da Terra é uma forma de estudo "in situ" de outros astros inclusive.

 

         SONS SOLARES

 

          O Sol emite todos os comprimentos de ondas conhecidos, em maior ou menor grau, além de partículas das mais diversas. O som ouvido, geralmente é gravado na freqüência de 2,8 GHz, cujo comprimento de ondas é de 10 cm. O áudio varia, isto ocorre devida oscilação, ou cintilação do sinal passando pela ionosfera terrestre, além das interferências sofridas durante a sua viagem de 150 milhões de quilômetros. Ao observar o áudio que chega, e verificar no comprimento de ondas do ultra-violeta nota-se, à medida em que é observada a ejeção de massa coronal, um sinal variável do áudio solar quase acompanhando o visual. Isto se deve porque as duas velocidades de propagação, tanto no ultra-violeta, quanto em SHF são similares, possibilitando assim uma observação paralela, entre a telescopia visual e a radiotelescopia. Claro, que a massa coronal sendo vista ejetada na figura, nada tem a ver com o áudio, o que se deve observar, é a variação do sinal com a variação de cintilação.

 

 

http://edsel.freitas.coutinho.googlepages.com/ejecaoMassaCoronal.gif

        

Bibliografia:

* Introdução às Partículas Presas e à AMAS- Edsel de Freitas Coutinho.pdf

* ESTUDO DA PROPAGAÇÃO DE RÁDIO E DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS NA REGIÃO DA ANOMALIA MAGNÉTICA DO ATLÂNTICO SUL - LEITHOLD, A. A.

* The Radiation Belt and Magnetosphere by Wilmot Hess (1968)

* a b c Introduction to Geomagnetically Trapped Radiation by Martin Walt (1994)

* Tascione, Thomas F. (1994). Introduction to the Space Environment, 2nd. Ed.. Malabar, Florida USA: Kreiger Publishing CO.. ISBN 0-89464-044-5.

* Ptak, Andy (1997). Ask an Astrophysicist. NASA GSFC. Retrieved on 2006-06-11.

* The Van Allen Belts and Travel to the Moon. Infrared Processing and Analysis Center. Caltech (2000). Retrieved on 2006-06-11.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

edselfreitascoutinho@

Campus de Pesquisas Geofísicas Major Edsel de Freitas Coutinho, através de um convênio entre o Instituto de Aeronáutica e Espaço e as Faculdades Integradas Espírita, Campus Universitário Bezerra de Menezes (UNIBEM), pesquisadores vem realizando a partir de setembro de 2008, a leitura ou recepção monitorada via Internet dos sinais chegados a um sensor de baixo ganho. Tal estudo visa verificar as variações do ruído de fundo na regiâo da AMAS (Anomalia Magnética do Atlântico Sul), comparativamente a dados adquiridos a partir dos satélites GOES, que monitoram constantemente a chegada de energia a partir do Sol, pela leitura do vento solar.

py5aalAs fotos abaixo mostram as atividades que estão a ser desenvolvidas em Paula Freitas por pesquisadores da UNIBEM.

 Acima: Torre da Ionosonda

 

 

Esquerda: Ângelo Antônio Leithold (Pesquisador) - Centro: Amauri josé da luz Pereira (Coordenador do Curso de Física ênfase Astronomia) - Direita: Marcelo Alegria Bruning (Pesquisador).

 

Bruning inspecionando a Torre da Ionosonda

 

Laboratório de Leithold, de onde são emitidos os sinais para a Ionosfera e de onde é acessada a Base de Pesquisas Geofísicas, o computador da esquerda é o emissor de sinais, o da direita o receptor.

 

Leithold no Laboratório do Campus de Pesquisas geofísicas adequando o espectrômetro recém instalado.

 

Brining instalando o sensor de campo eletromagnético para VLF.

 

Pereira inspecionando se há possibilidade de uso do velho transmissor de VLF

 

Torre da Ionosonda - 130 metros de altura e 12 toneladas

 

Sinal emitido a partir do laboratório de Leithold

Gráfico típico da medição de Raios-X recebidos pelo Satélite Goes e capturados via Internet em tempo real


Espectrômetro de VLF de Paula Freitas, a cor lilás no espectro indica a presença da torre de VLF que funciona como um filtro às radiações eletromagnéticas presentes na região, a faixa indica a sintonia e largura de banda da torre.


Espectrômetro de VLF de Paula Freitas, na parte de baixo existe uma faixa horizontal azul, esta indica a presença de um campo magnético muito forte, este foi ocasionado pela aproximação de um imã ao sensor. No gráfico à direita (Faixa vertical azul) vê-se o pulso eletromagnético criado pelo sensor quando houve a aproximação do imã. 


Acima, espectrômetro localizado na Estação Antártica (20 METROS HF ) onde é recebido o sinal enviado a partir do laboratório de Leithold em curitiba (Linha branca ao centro do espectro), conforme verificado no espectrômetro.


Acima, espectrômetro localizado em Pardinho-SP (40 Metros HF), note-se uma linha fina ao centro, é o sinal emitido a partir do laborastório de Leithold em Curitiba, a faixa verde embaixo (horizontal), significa a intensidade de campo eletromagnético na largura de banda do espectro recebido, note-se um aumento abrupto á esquerda, é uma estação de rádio em fonia (SSB- Single Side Band). Importante é notar o nível médio de ruído de fundo e o fundo azul escuro do espectro.



Observe-se o gráfico acima, notar-se-á que entre as 0:00 UTC e 3:00 UTC houve uma abrupta redução do vento solar (Linha horizontal azul), conforme capturado pelo Satélite Goes, nos espectrogramas abaixo, nota-se uma abrupta redução do ruído de fundo, coincidentemente no mesmo horário.

 

Note-se  que na figura acima o espectro pode ser considerado normal, ou seja, tem uma quantidade de ruído de fundo com pouca variação nquando comparada com outros horários, contudo, ao observar a figura seguinte e a após, notar-se-a que houve uma rápida redução do ruído de fundo coincidentente à abrupta redução de vento solar.


 

Note-se que na figura acima e na figura abaixo, praticamente inexiste ruído. 

  

Observa-se uma redução em cerca de 60 dB, isto pode indicar dois caminhos que carecem de investigação: 1) Houve um problema no receptor, um defeito, uma falha. 2) Houve uma abrupta redução da propagação em função da abrupta redução do fluxo solar. A figura a seguir mostra que após 1h 20 minutos de silêncio, o ruído de fundo voltou à normalidade.

 


Artigo:

Observation radio waves in South Atlantic Magnetic Anomaly.pdf

Pesquisador Ângelo Antônio Leithold 

Licença Creative Commons

O trabalho INTRODUÇÃO ÀS PARTÍCULAS PRESAS E À ANOMALIA GEOMAGNÉTICA BRASILEIRA de ANGELO ANTONIO LEITHOLD, LEITHOLD, A. A.; ANGELOLEITHOLD, PY5AAL foi licenciado com uma Licença Creative Commons - Atribuição - NãoComercial - SemDerivados 3.0 Não Adaptada.
Com base no trabalho disponível em sites.google.com.
Podem estar disponíveis autorizações adicionais ao âmbito desta licença em https://sites.google.com/site/edselfreitascoutinho/.